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Bio-ingénierie

Herramientas para el tratamiento superficial de microelectrodos intracorticales planos de silicio

Published: June 08, 2022
doi:
10.3791/63500
, , , , , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University, 2Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Bioengineering,The University of Texas at Dallas

Summary

El presente protocolo describe herramientas para el manejo de microelectrodos intracorticales planos de silicio durante los tratamientos para la modificación de la superficie a través de la deposición de gas y las reacciones de solución acuosa. El ensamblaje de los componentes utilizados para manejar los dispositivos a lo largo del procedimiento se explica en detalle.

Abstract

Los microelectrodos intracorticales tienen un gran potencial terapéutico. Pero se enfrentan al desafío de una reducción significativa del rendimiento después de duraciones de implantación modestas. Un contribuyente sustancial a la disminución observada es el daño al tejido neural proximal al implante y la posterior respuesta neuroinflamatoria. Los esfuerzos para mejorar la longevidad del dispositivo incluyen modificaciones químicas o aplicaciones de recubrimiento en la superficie del dispositivo para mejorar la respuesta del tejido. El desarrollo de tales tratamientos superficiales generalmente se completa utilizando sondas “ficticias” no funcionales que carecen de los componentes eléctricos necesarios para la aplicación prevista. La traducción a dispositivos funcionales requiere una consideración adicional dada la fragilidad de las matrices de microelectrodos intracorticales. Las herramientas de manipulación facilitan en gran medida los tratamientos superficiales de los dispositivos ensamblados, especialmente para las modificaciones que requieren largos tiempos de procedimiento. Las herramientas de manipulación descritas aquí se utilizan para tratamientos superficiales aplicados a través de la deposición en fase gaseosa y la exposición a la solución acuosa. La caracterización del recubrimiento se realiza mediante elipsometría y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. Una comparación de los registros de espectroscopia de impedancia eléctrica antes y después del procedimiento de recubrimiento en dispositivos funcionales confirmó la integridad del dispositivo después de la modificación. Las herramientas descritas se pueden adaptar fácilmente para dispositivos de electrodos alternativos y métodos de tratamiento que mantienen la compatibilidad química.

Introduction

Los dispositivos neuroprotésicos tienen como objetivo restaurar las capacidades sensoriales y motoras deterioradas o ausentes en una amplia gama de poblaciones de pacientes, incluidos aquellos con lesión de la médula espinal, esclerosis lateral amiotrófica (ELA), parálisis cerebral y amputaciones 1,2,3. Los microelectrodos intracorticales (IME) pueden establecer una vía de comunicación entre las neuronas corticales y los dispositivos utilizados para controlar las neuroprótesis. Una clara ventaja de los microelectrodos intracorticales es su capacidad para registrar señales neuronales a una alta resolución espacial y temporal, que se prefiere para el posterior procesamiento de señales y el control de las interfaces cerebro-computadora 4,5. Desafortunadamente, el rendimiento de los microelectrodos intracorticales se reduce drásticamente en cuestión de meses a un año después de la implantación 2,6,7,8. La pérdida de calidad y estabilidad de la señal afecta negativamente la aplicación de la tecnología.

Un contribuyente significativo a la disminución del rendimiento observada es la respuesta biótica al daño tisular asociado a la implantación y la neuroinflamación crónica 9,10,11. La implantación de IME inflige daño en el tejido cerebral, lo que resulta en la liberación de moléculas de señalización que inician cascadas de procesos reaccionarios de defensa celular. La interfaz crónica exacerba la respuesta de cuerpos extraños, lo que lleva a una neuroinflamación sostenida que daña el tejido proximal al dispositivo; a menudo reconocidos como síntomas de neuroinflamación, cicatrización y neurodegeneración local que contribuyen a la disminución del registro de la calidad de la señal 12,13,14,15. Comprendiendo un denso conglomerado de astrocitos con microglía y macrófagos activados arrastrados, la cicatriz que encapsula el electrodo crea un ambiente local desfavorable con transporte de material reducido y acumulación local de factores inflamatorios 16,15,16,17,18.

Muchos estudios han descrito la respuesta del cerebro a los microelectrodos intracorticales o enfoques para mitigar la respuesta7. La investigación y el desarrollo para mejorar la respuesta del tejido han implicado una serie de estrategias, incluidas modificaciones en la estructura general, la topología de la superficie, los materiales y la aplicación de recubrimientos. Estos esfuerzos pretenden minimizar el daño sufrido por el evento de implantación, introducir una interfaz más favorable entre el dispositivo y las células proximales, o reducir la tensión tisular después de que los dispositivos se implantan7. Los métodos dirigidos específicamente a la respuesta biológica crónica han llevado a varios recubrimientos bioactivos que tienen como objetivo estabilizar el sitio de implantación y promover químicamente la salud celular. Los ejemplos incluyen polímeros conductores como el poli(etileno dioxitiofeno) (PEDOT)19,20, los nanotubosde carbono 21, los hidrogeles22 y la adición de moléculas bioactivas y medicamentos para atacar procesos celulares específicos 23,24,25. Nuestro grupo de investigación, en particular, ha explorado muchos mecanismos para promover una reducción de la respuesta inflamatoria a los microelectrodos implantados, incluyendo, pero no limitado a, minimizar el trauma asociado con la implantación del dispositivo26, minimizar el desajuste de rigidez del dispositivo / tejido 27,28,29,30,31,32,33, optimizar la esterilización procedimientos34,35, reducción del estrés/daño oxidativo 28,36,37,38,39,40,41,42, exploración de materiales de electrodos alternativos43 e imitación de la nanoarquitectura de la matriz extracelular natural 44,45,46 . El interés reciente es el desarrollo de recubrimientos superficiales biomiméticos para mitigar la respuesta neuroinflamatoria en la interfaz del tejido microelectrodo directamente39.

La modificación de la interfaz ofrece el beneficio único de apuntar directamente a la herida y al tejido proximal necesarios para el registro de señales. Un tratamiento de superficie que promueva la curación sin exacerbar la respuesta inmune puede beneficiar la vida útil del registro de calidad y eliminar las limitaciones en la realización del potencial terapéutico y de investigación de los microelectrodos intracorticales. El trabajo presentado detalla los métodos para aplicar tratamientos superficiales a matrices de microelectrodos que requieren tiempos de reacción prolongados al tiempo que se adaptan a la fragilidad de los dispositivos. La técnica presentada está destinada a compartir métodos de modificación de superficie con dispositivos funcionales donde el dispositivo no se puede manejar durante toda la aplicación de tratamiento. Las herramientas se presentan para el manejo de sondas ficticias no funcionales y matrices de microelectrodos planos de silicio funcionales.

El enfoque presentado para modificar la superficie del electrodo permite la suspensión segura de sondas ficticias no funcionales o matrices de electrodos planos de silicio funcional para la deposición en fase gaseosa y la reacción con soluciones acuosas. Se utilizan varias piezas impresas en 3D para manejar estos frágiles dispositivos (Figura 1 y Figura 2). Se proporciona un ejemplo de un procedimiento que utiliza pasos de fase de gas y solución para la modificación de la superficie con un recubrimiento antioxidante que implica la inmovilización de Mn(III)tetrakis (ácido 4-benzoico) porfirina (MnTBAP). MnTBAP es una metaloporfirina sintética que posee propiedades antioxidantes con mediación demostrada de inflamación47,48. El ejemplo proporcionado sobre matrices de electrodos planos de silicio funcional valida una actualización de un protocolo previamente informado para dispositivos no funcionales40. La adaptación de una técnica de deposición en fase gaseosa de Munief et al. apoya la compatibilidad del protocolo con electrodos funcionales49. La deposición en fase gaseosa se utiliza para funcionalizar la superficie con aminas en preparación para la reacción acuosa que involucra la química del reticulador de carbodiimida para inmovilizar el MnTBAP activo. La metodología de manejo desarrollada aquí se proporciona como una plataforma que se puede modificar para acomodar otros recubrimientos y dispositivos similares.

El protocolo ilustra el enfoque utilizando sondas ficticias no funcionales que comprenden un vástago de silicio y una pestaña impresa en 3D con dimensiones similares a las matrices de electrodos planos de silicio funcional. El embalaje del conector del dispositivo se considera análogo a la pestaña impresa en 3D de la sonda ficticia no funcional en la instrucción proporcionada.

Figure 1
Figura 1: Piezas impresas en 3D para manipular dispositivos funcionales durante la deposición en fase gaseosa en un desecador al vacío. (A) La base de la estructura incluye soportes para cuadrados de silicio de muestra de 1 cm x 1 cm (flecha superior) y orificios para asegurar la placa desecadora (flecha inferior). (B) La placa se utiliza para asegurar la suspensión de los dispositivos. A partir de aquí, cada pieza de esta figura se denominará pieza 1A o 1B. Barra de escala = 1 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Piezas impresas en 3D para la manipulación de dispositivos funcionales para la reacción superficial que se produce en la solución acuosa. (A) Pieza guía a pegar a la tapa de la placa de cultivo. (B) Piezas de sobremesa utilizadas para estabilizar piezas (C) y (D) durante el montaje. (C) y (D) juntos aseguran la suspensión de los dispositivos para su colocación en la placa del pozo, y (E) aseguran aún más las piezas (C) y (D) a la tapa de la placa del pozo. A partir de aquí, las piezas individuales en cada panel de esta figura se denominarán números de pieza correspondientes al número de panel de esta figura. Barra de escala = 1 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

Todos los archivos de codificación para impresión 3D se proporcionan en Archivos de codificación suplementarios 1-16. El análisis proporcionado en los resultados representativos se describe utilizando matrices de electrodos planos de silicio funcional adquiridos comercialmente (véase la Tabla de materiales). 1. Montaje de manipulación para deposición en fase gaseosa en un desecador al vacío NOTA: El aparato en…

Representative Results

Para demostrar el uso de los componentes de manipulación, se implementó la metodología descrita para adaptar la inmovilización de un mediador oxidante al silicio activado. La aplicación de esta química a los IME para reducir el estrés oxidativo fue ideada por Potter-Baker et al. y demostrada en sondas ficticias de silicio no funcionales40. Este tratamiento superficial inmoviliza el antioxidante, MnTBAP, a la superficie de silicio activado por UV / ozono a través de la funcionalización…

Discussion

El protocolo descrito fue diseñado para el tratamiento superficial de matrices de microelectrodos planos de silicio. Las herramientas impresas en 3D se personalizan para matrices de microelectrodos al estilo de Michigan con conectores de bajo perfil50. Las sondas no funcionales se ensamblaron mediante la adhesión de una sonda de silicio a pestañas impresas en 3D utilizando un adhesivo biocompatible. Las pestañas impresas en 3D fueron diseñadas con dimensiones similares a los conectores incorp…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudio fue apoyado en parte por el Premio de Revisión al Mérito IRX002611 (Capadona) y el Premio al Científico de Carrera de Investigación IK6RX003077 (Capadona) del Servicio de Investigación y Desarrollo de Rehabilitación del Departamento de Asuntos de Veteranos de los Estados Unidos (EE. UU.). Además, este trabajo también fue apoyado en parte por el Instituto Nacional de Salud, el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares R01NS110823 (Capadona / Pancrazio) y el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias (Krebs).

Materials

1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC) Sigma-Aldrich 165344-1G Solid, stored desiccated at -20 °C
15 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher Scientific 14-959-70C
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties Cole-Parmer EW-06830-66 Length 4 inches
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) Sigma-Aldrich 4432-31-9 Solid
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) Sigma-Aldrich 440140-100ML Liquid, container with Sure/Seal
50 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher Scientific 14-959-49A
Aluminum foil Fisher Scientific 01-213-103
Aluminum weighing dishes Fisher Scientific 08-732-102 Diameter 66 mm
Bel-Art Vacuum Desiccator Fisher Scientific 08-594-15B
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates Millipore Sigma CLS3527-100EA 24-well plate, polystyrene
Cyanoacrylate Adhesive LocTite N/A
Digital Microscope Keyence VHX-S750E
Disco DAD3350 Dicing Saw Disco DAD3350 Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples
Double-Sided Polyimide Tape Kapton Tape PPTDE-1/4 ¼” x 36 yds.
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound Masterbond EP21LVMed Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine Epilog N/A CO2 laser
Foam tape XFasten N/A 1/8" Thick
Gamry Interface 1010E Potentiostat Gamry 992-00129
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps Fisher Scientific 12-000-131
Lab tape Fisher Scientific 15-901-10L
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP) EMD Millipore 475870-25MG Solid, stored at -20 °C
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC) Sigma-Aldrich 56485-250MG Solid, stored desiccated at 4°C
Platinum clad niobium mesh anode Technic N/A Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel NeuroNexus A1x16-3mm-100-177-CM16LP Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm
Silicon Wafer University Wafer 1575 Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade
Silver/silver Chloride reference electrode Gamry Instruments 930-00015
Solidworks N/A
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws McMaster Carr 96877A629 #8-32, 1 1/2", fully threaded
Type I deionized water ChemWorld CW-DI1-20
Ultimaker 3 3D printer Ultimaker  N/A
Ultimaker Cura Ultimaker N/A 3D printing software
Ultimaker NFC ABS Filament Dynamism, Inc. 1621 2.85 mm
Ultimaker NFC PLA Filament Dynamism, Inc. 1609 2.85 mm
Vacuum Gauge Vacuum Gauge Measureman Direct N/A Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0
Wing nuts Everbilt 934917 #8-32, zinc plated
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References

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Krebs, O. K., Mittal, G., Ramani, S., Zhang, J., Shoffstall, A. J., Cogan, S. F., Pancrazio, J. J., Capadona, J. R. Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes. J. Vis. Exp. (184), e63500, doi:10.3791/63500 (2022).
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